ПЛАЗМОХИ́МИЯ

ПЛАЗМОХИ́МИЯ (хи­мия плаз­мы, хи­мия элек­три­че­ских раз­ря­дов), нау­ка, объ­ек­том ко­то­рой яв­ля­ет­ся ис­сле­до­ва­ние хи­мич. про­цес­сов в низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­ме, взаи­мо­свя­зи фи­зич. и хи­мич. яв­ле­ний в ней (тео­ре­тич. П.), а так­же раз­ра­бот­ка ос­нов плаз­мо­хи­мич. тех­но­ло­гий для ре­ше­ния прак­тич. за­дач (при­клад­ная П.). По­сколь­ку фи­зич. и хи­мич. яв­ле­ния не мо­гут рас­смат­ри­вать­ся не­за­ви­си­мо, то мож­но го­во­рить как о хи­мии плаз­мы, так и о фи­зи­ке хи­ми­че­ски ак­тив­ной плаз­мы в за­ви­си­мо­сти от то­го, хи­мич. или фи­зич. яв­ле­ния яв­ля­ют­ся це­лью ис­сле­до­ва­ния. П. на­хо­дит­ся на сты­ке та­ких на­ук, как фи­зи­ка плаз­мы, фи­зи­ка га­зо­вых раз­ря­дов, элек­тро­ди­на­ми­ка, атом­ная фи­зи­ка, оп­ти­ка, тер­мо­ди­на­ми­ка, га­зо­ди­на­ми­ка, фи­зи­ка твёр­до­го те­ла, фи­зич. хи­мия, хи­мич. фи­зи­ка, ор­га­нич. и не­ор­га­нич. хи­мия.

Воз­ник­но­ве­ние П. тес­но свя­за­но с раз­ви­ти­ем ра­бот по фи­зи­ке га­зо­вых раз­ря­дов. Впер­вые хи­мич. пре­вра­ще­ния в ис­кро­вых раз­ря­дах в воз­ду­хе с об­ра­зо­ва­ни­ем бу­рых па­ров ок­си­дов азо­та бы­ли за­ме­че­ны Г. Ка­вен­ди­шем в 1775. Позд­нее в раз­ря­дах на­блю­да­ли раз­ло­же­ние и син­тез ам­миа­ка, об­ра­зо­ва­ние озо­на, а за­тем «ак­тив­ных» га­зов – во­до­ро­да и азо­та (по­вы­шен­ная хи­мич. ак­тив­ность свя­за­на с по­яв­ле­ни­ем ато­мов и воз­бу­ж­дён­ных час­тиц). Уже в кон. 19 в. по­лу­че­ние озо­на пе­ре­шло от ла­бо­ра­тор­но­го к пром. мас­шта­бу. Ис­сле­до­ва­ния в об­лас­ти П. бы­ли от­ры­воч­ны­ми и на­прав­лен­ны­ми на фор­ми­ро­ва­ние фе­но­ме­но­ло­гич. кар­ти­ны воз­дей­ст­вия раз­ря­дов на га­зо­вую сре­ду, в ко­то­рой мо­гут про­ис­хо­дить хи­мич. ре­ак­ции. К сер. 1930-х гг. сфор­ми­ро­ва­лись осн. пред­став­ле­ния о га­зо­вых раз­ря­дах как о спе­ци­фич. сре­де для про­те­ка­ния хи­мич. ре­ак­ций. Ста­нов­ле­ние П. как от­рас­ли нау­ки от­но­сит­ся к 1960-м гг., ко­гда бы­ли про­ве­де­ны ис­сле­до­ва­ния по пи­ро­ли­зу ме­та­на и жид­ких уг­ле­во­до­ро­дов в плаз­мен­ных стру­ях, а так­же изу­че­ны ре­ак­ции в тлею­щем раз­ря­де. Ос­но­ва­тель отеч. на­уч. шко­лы П. – Л. С. По­лак, он же ввёл в отеч. на­уч. ли­те­ра­ту­ру тер­мин «П.» (кон. 1960-х гг.).

Плаз­мо­хи­мич. про­цес­сы про­во­дят­ся в от­кры­тых тер­мо­ди­на­мич. сис­те­мах с ис­поль­зо­ва­ни­ем внеш­них ис­точ­ни­ков энер­гии, часть ко­то­рой рас­хо­ду­ет­ся на ини­ции­ро­ва­ние хи­мич. ре­ак­ций. Это обу­с­лов­ли­ва­ет су­ще­ст­вен­ную не­рав­но­вес­ность мн. плаз­мо­хи­мич. про­цес­сов. Про­цес­сы в хи­ми­че­ски ак­тив­ной плаз­ме свя­за­ны с при­сут­ст­ви­ем за­ря­жен­ных час­тиц, элек­трон­но- и ко­ле­ба­тель­но-воз­бу­ж­дён­ных час­тиц, а так­же не­воз­бу­ж­дён­ных (ис­ход­ные ве­ще­ст­ва, ато­мы, ра­ди­ка­лы, про­дук­ты про­ме­жу­точ­ных ре­ак­ций) час­тиц. Роль элек­трон­ной ком­по­нен­ты плаз­мы в ини­ции­ро­ва­нии ре­ак­ций яв­ля­ет­ся оп­ре­де­ляю­щей. В ря­де слу­ча­ев хи­мич. ре­ак­ции мо­гут ини­ции­ро­вать­ся из­лу­че­ни­ем плаз­мы (пре­им. в ви­ди­мой и УФ-об­лас­тях спек­тра). При­сут­ст­вие боль­шо­го чис­ла ре­ак­ци­он­но-спо­соб­ных час­тиц ве­дёт к мно­го­ка­наль­но­сти плаз­мо­хи­мич. про­цес­сов (т. е. один и тот же сум­мар­ный про­цесс в за­ви­си­мо­сти от па­ра­мет­ров плаз­мы – дав­ле­ния, сте­пе­ни ио­ни­за­ции и т. д. – мо­жет про­ис­хо­дить разл. пу­тя­ми). При­ме­ни­тель­но к за­да­чам при­клад­ной П. это при­во­дит к не­об­хо­ди­мо­сти по­ис­ка наи­бо­лее эф­фек­тив­ных ме­ха­низ­мов ре­ак­ций, а так­же ус­ло­вий (тип раз­ря­да, дав­ле­ние и т. д.), в ко­то­рых эти ме­ха­низ­мы реа­ли­зу­ют­ся.

Плаз­мо­хи­мич. про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в не­рав­но­вес­ной и ква­зи­рав­но­вес­ной плаз­ме, со­от­вет­ст­вен­но оп­ре­де­ля­ют­ся как не­рав­но­вес­ные и ква­зи­рав­но­вес­ные. Сред­ние энер­гии час­тиц в низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­ме ни­же 1-го по­тен­циа­ла ио­ни­за­ции ато­мов и мо­ле­кул, и это по­зво­ля­ет им эф­фек­тив­но ини­ции­ро­вать хи­мич. пре­вра­ще­ния. Па­ра­мет­ры плаз­мы в плаз­мо­хи­мич. ре­ак­то­рах из­ме­ня­ют­ся в ши­ро­ком диа­па­зо­не: дав­ле­ние 10^–1– 10⁵ Па, сте­пень ио­ни­за­ции 10^–8–10^–1, ср. энер­гии час­тиц 0,1–10 эВ. Сред­няя энер­гия элек­тро­нов при по­ни­жен­ном дав­ле­нии на по­ря­док боль­ше сред­ней энер­гии тя­жё­лых час­тиц. При ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии раз­ли­чие сред­них энер­гий умень­ша­ет­ся или прак­ти­че­ски от­сут­ст­ву­ет. При по­ни­жен­ном дав­ле­нии функ­ция рас­пре­де­ле­ния элек­тро­нов по энер­ги­ям от­ли­ча­ет­ся от мак­свел­лов­ской, при­чём в вы­со­ко­энер­ге­тич. об­лас­ти – на неск. по­ряд­ков.

В пред­став­ляю­щих ин­те­рес для П. слу­ча­ях плаз­ма яв­ля­ет­ся сла­бо­ио­ни­зо­ван­ной, иде­аль­ной, не­вы­ро­ж­ден­ной и час­то ха­рак­те­ри­зу­ет­ся под­чи­няю­щим­ся ста­ти­сти­ке Мак­свел­ла – Больц­ма­на рас­пре­де­ле­ни­ем час­тиц по энер­ги­ям. При ре­ше­нии ря­да за­дач име­ет зна­че­ние изо­троп­ность или ани­зо­троп­ность плаз­мы (от­сут­ст­вие или на­ли­чие в ней вы­де­лен­ных на­прав­ле­ний). В П. для по­лу­че­ния низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы ис­поль­зу­ют­ся все ти­пы элек­трич. раз­ря­дов.

Для ре­ше­ния за­дач П. при­ме­ня­ет­ся ши­ро­кий на­бор экс­пе­рим. и тео­ре­тич. под­хо­дов. К пер­вым от­но­сят­ся ме­то­ды хи­мич. ана­ли­за га­зо­вой сре­ды и ис­сле­до­ва­ния по­верх­но­стей, ак­тив­ная и пас­сив­ная оп­тич. спек­тро­ско­пия плаз­мы, масс-спек­тро­мет­рия, элек­тро­ста­тич. зон­ды и т. д.; ко вто­рым – не­рав­но­вес­ная хи­мич. ки­не­ти­ка, са­мо­со­гла­со­ван­ное мо­де­ли­ро­ва­ние элек­тро­ди­на­ми­ки, га­зо­ди­на­ми­ки, те­п­ло­пе­ре­но­са, ки­не­ти­ки час­тиц плаз­мы с учё­том внутр. сте­пе­ней сво­бо­ды и т. д.

Пре­иму­ще­ст­ва ис­поль­зо­ва­ния плаз­мы в хи­мич. тех­но­ло­гии пе­ред тра­диц. тех­но­ло­гия­ми оп­ре­де­ля­ют­ся не­сколь­ки­ми фак­то­ра­ми: вы­со­ким уров­нем энер­гии, вкла­ды­вае­мой в сис­те­му, что ве­дёт к уве­ли­че­нию ско­ро­стей про­цес­сов (ха­рак­тер­ные вре­ме­на кон­так­тов 10 –3 –10 –5  с) и к умень­ше­нию раз­ме­ров хи­мич. ре­акто­ра; од­но­ста­дий­но­стью боль­шин­ст­ва про­цес­сов; воз­мож­но­стью пе­ре­ра­бот­ки сы­рья, пло­хо под­даю­ще­го­ся пе­ре­ра­бот­ке тра­диц. ме­то­да­ми; воз­мож­но­стью за­ме­ны ря­да эко­ло­ги­че­ски опас­ных хи­мич. про­цес­сов на безо­пас­ные; воз­мож­но­стью по­лу­че­ния но­вых ма­те­риа­лов, об­ла­даю­щих уни­каль­ны­ми свой­ст­ва­ми.

Ши­ро­кие воз­мож­но­сти низ­ко­тем­пе­ра­тур­ной плаз­мы про­яви­лись в раз­но­об­раз­ных об­лас­тях её при­ме­не­ния. Это плаз­мен­ные тех­но­ло­гии мик­ро- и на­но­элек­тро­ни­ки, раз­ло­же­ние и син­тез хи­мич. со­еди­не­ний, про­из-во ма­те­риа­лов (вклю­чая на­но­ма­те­риа­лы), по­лу­че­ние за­щит­ных, бак­те­ри­цид­ных и де­ко­ра­тив­ных по­кры­тий, мо­ди­фи­ка­ция по­верх­но­стей ор­га­нич. и не­ор­га­нич. ма­те­риа­лов (из­ме­не­ние ад­ге­зи­он­ных свойств, уп­роч­не­ние, пла­на­ри­за­ция), ис­поль­зо­ва­ние плаз­мы в энер­ге­ти­ке (ста­би­ли­за­ция го­ре­ния низ­ко­сорт­ных уг­лей на те­п­ло­вых элек­тро­стан­ци­ях, без­ма­зут­ный роз­жиг, плаз­мен­ная га­зи­фи­ка­ция уг­лей), ре­ше­ние эко­ло­гич. за­дач (пе­ре­ра­бот­ка от­хо­дов, вклю­чая вы­со­ко­ток­сич­ные со­еди­не­ния, обез­за­ра­жи­ва­ние объ­ек­тов мед. на­зна­че­ния), плаз­мен­ная ме­ди­ци­на и био­ло­гия (ле­че­ние бо­лез­ней и воз­дей­ст­вие плаз­мы на мик­ро­ор­га­низ­мы).